La corrente elettrica. Lezioni d'autore

Transcript

1 La corrente elettrica Lezioni d'autore

2 Misura e definizione di 'ampere' (I) VIDEO

3 Misura e definizione di 'ampere' (II) La scoperta nel 1820 degli effetti magnetici di un filo percorso da corrente aprì la possibilità di ricondurre l intensità di una corrente a misure di forze e momenti. L interazione tra fili percorsi da corrente e magneti, nei galvanometri ottocenteschi e di gran parte del Novecento, era misurata attraverso il movimento di una parte mobile, smorzata dall aria o da correnti indotte.

4 Misura e definizione di 'ampere' (III) Galvanometro a specchio: un filo di seta verticale, su cui è fissato un piccolo specchio, ha alle sue estremità due magneti che interagiscono con le correnti che attraversano le bobine. La torsione del filo è misurata attraverso lo spostamento angolare dello specchio (osservato con un piccolo cannocchiale)

5 Misura e definizione di 'ampere' (IV) Cannocchiale e scala, introdotto da J. C. Poggendorff, per la misura degli angoli di rotazione della parte mobile di galvanometri, magnetometri e altri strumenti ottocenteschi dotati di specchio. L immagine della scala riflessa nello specchio e un cannocchiale di una decina di ingrandimenti, posto alla distanza di un metro dallo strumento elettrico, permetteva di valutare angoli di 10.

6 Misura e definizione di 'ampere' (V) Bilance di precisione garantivano inoltre, come nel caso del sistema ideato da John William Strutt Rayleigh, vedi a sn, di confrontare la forza elettrodinamica tra bobine percorse da corrente e il peso di masse tarate, secondo espressioni del tipo: mg=ki2, con k costante del sistema che dipende dalle caratteristiche geometriche delle bobine.

7 Misura e definizione di 'ampere' (VI) La progressiva astrazione di tali procedimenti ha portato oggi alla presentazione classica (dei musei della Scienza o dei testi liceali) dei fili rettilinei (molto lunghi rispetto alla loro distanza) percorsi da corrente. Interazione tra fili percorsi da corrente

8 Misura e definizione di 'ampere' (VII) Se i fili collegati a una pila sono attraversati da correnti aventi lo stesso verso si attraggono, nel caso di correnti opposte, si respingono. L intensità della forza esercitata, in un tratto di filo lungo l, è posta uguale a: F= 0I1I2l/2 d.

9 Misura e definizione di 'ampere' (VIII) La definizione dell unità di corrente segue allora immediatamente, ponendo tutti i valori delle grandezze a destra dell uguaglianza pari a 1 e fissando la costante 0/2 = N/A2. L ampere è l intensità di corrente elettrica costante che, mantenuta in due conduttori rettilinei, di lunghezza infinita, di sezione trascurabile, situati a un metro l uno dall altro nel vuoto, produrrebbe, tra gli stessi conduttori, una forza di N a metro di lunghezza.

10 Un multimetro quantistico (I) Una pila ricaricabile, come quella dei telefonini, riporta il valore della carica caratteristica del generatore in mah (equivalente a 3,6 As). Batteria ricaricabile al litio da 3,7 V e 1100 mah

11 Un multimetro quantistico (II) Il legame semplice I=Q/t (nel caso di I costante) tra corrente I e carica Q nel caso di una cella elettrolitica (che riconduce la carica alla massa attraverso la legge di Faraday) potrebbe essere utilizzato, come è avvenuto per la prima definizione internazionale di ampere, per il campione dell intensità di corrente. In tal modo la riproducibilità delle misure avrebbe però una precisione notevolmente inferiore a quelle tipica delle bilance elettrodinamiche (10 ). -6

12 Un multimetro quantistico (III) Le misure elettriche inoltre, grazie allo studio dei fenomeni quantistici alle basse temperature (effetto Josephson ed effetto Hall quantistico), hanno permesso di adottare nei principali laboratori metrologici campioni pratici di tensione e di resistenza con una precisione di almeno 10. L idea di combinare i due effetti quantistici per realizzare un unico circuito per la misura di I è della metà degli anni ottanta. -8

13 Un multimetro quantistico (IV) Nella figura accanto è rappresentata la realizzazione della definizione di ampere ridotta alla misura del valore esatto della carica elementare. Schema di principio dell apparato di misura della corrente I che utilizza gli effetti Josephson e Hall quantistico

14 Un multimetro quantistico (V) La corrente attraversa una resistenza di Hall R e provoca una caduta di tensione R I, essa è confrontata, attraverso un rilevatore di zero, con la tensione V di una serie di giunzioni di Josephson irradiate con microonde di frequenza f. H J Sapendo che V =nfh/2e e che R =hi/e, con i e n numeri interi, combinando i due effetti, in linea di principio l espressione: I=nife/2, permetterebbe la determinazione dell ampere in funzione della carica elementare, e, della frequenza, f, realizzando una specie di conteggio indiretto degli elettroni che attraversano il filo conduttore. j H 2 H

15 Un multimetro quantistico (VI) Negli ultimi anni la realizzazione di dispositivi a singolo elettrone (SET) ha permesso di contare direttamente i singoli elettroni. Il completamento del triangolo quantistico metrologico di campioni pratici per le principali grandezze elettriche e per la definizione di I, è oggi uno degli obiettivi della ricerca. Effetti quantistici e misura delle principali grandezze elettriche: il triangolo metrologico

16 I dispositivi a singolo elettrone e la nuova definizione di ampere (I) I dispositivi a singolo elettrone (SET), basati su giunzioni a tunnel, sono stati realizzati grazie alle nanotecnologie che permettono ormai di costruire transistor su scala microscopica dell ordine del micrometro. La più semplice idea per la realizzazione di una intensità di corrente standard è quella di creare un sistema capace di controllare a una determinata frequenza il trasporto di singoli elettroni. In tal caso, la corrente I si riduce al prodotto della carica elementare per la frequenza: I=ef.

17 I dispositivi a singolo elettrone e la nuova definizione di ampere (II) Un dispositivo SET permette di contare i singoli elettroni e di definire una intensità di corrente come il prodotto della carica elementare per la frequenza della tensione utilizzata per il passaggio degli elettroni stessi

18 I dispositivi a singolo elettrone e la nuova definizione di ampere (III) VIDEO

19 Altri video VIDEO La corrente elettrica RaiScuola VIDEO Esperimenti con banco di Ampere VIDEO Closing the metrological triangle with a superconducting nanowire

20 FINE Lezioni d'autore